“矿井地球物理勘探”课教学实践与探索

■于师建

（山东科技大学矿业与安全工程学院山东青岛266590）

“矿井地球物理勘探”课教学实践与探索

■于师建

（山东科技大学矿业与安全工程学院山东青岛266590）

“矿井地球物理勘探”课程对地质工程专业学生了解矿井地球物理的新技术及所解决的矿井地质问题具有重要的现实意义。教学内容设置了五种用于矿井井下的物探方法。教学方法突出理论与实际相结合、树立综合物探思想、加强实验演示教学。课程考查方式采用两类方式。以实际矿井地质问题为中心，让学生了解从勘探方法选择、勘探设计、数据采集、资料处理到地质解释的全过程。适应地质工程专业学生的特点，重点培养学生的实际应用能力。

矿井地球物理勘探教学

煤矿安全生产工作是煤矿企业生存与发展的基本要求，是矿业类高等院校履行教育职能的重要组成部分。矿井地球物理勘探在实现矿井安全方面发挥了重要作用。2009年国家安全生产监督管理总局和国家煤矿安全监察局颁发的《煤矿防治水规定》中，在地面水文地质补充勘探和井下水文地质勘探中对矿井物探工作均作了明确的规定[1]。为了满足新形势下与煤炭行业有关的本科专业教育的要求，我校在培养面向煤炭企业的卓越工程师中的地质工程专业开设了“矿井地球物理勘探”课程，目的是让将来从事煤矿地质工作的技术人员了解矿井地球物理的新技术方法及所解决的地质问题。

由于地质工程专业的学生，在前期基础课的学习中，缺少场论、数理方程等方面的知识积累，对于这样一门内容丰富，涉及面广泛的课程，如何最大限度地发挥这门课程的作用，突出地质工程专业学生的特长，增强他们的学习兴趣和教学效果，我国许多从事“地球物理勘探”教学的老师在教学方法、实践教学、设计性和综合性实验实施、创新能力培养等方面做了有效的探索[2-6]。针对“矿井地球物理勘探”课程，笔者在教学实践中，从教学内容、教学方法和考查方法上进行了有益的探索，取得了较好的教学效果。

1 教学内容设计

矿井地球物理勘探，是用于矿井地质勘查的各种地球物理勘探方法的总称。它是将在地面上成熟的各种地球物理勘探方法移殖到矿井井下，在煤巷内以煤层、煤层顶底板岩层作为主要研究对象探查未被开采煤层的不连续性，以及有关的地质构造破坏与地质异常体。与地面物探比较，矿井物探具有探测目标近，方法多样，以及在多数情况下从数据采集到处理和解释必须考虑全空间问题等特点。

煤炭企业生产的特殊性，要求矿井物探能够及时、准确预测预报工作面内和掘进工作面前方各种地质破坏与异常，诸如：小断层与褶曲、陷落柱、煤层的冲刷与风化、煤层的分叉与合并、煤层厚度的变化、岩浆岩侵入体、老窑采空区、可能的涌水点及通道、顶板与围岩的稳定性等……。针对地质工程专业学生的专业需求、培养目标以及该课程的基本理论与体系，安排“矿井地球物理勘探”课程，教学学时30学时。如何在有限的学时内使学生能够掌握理论知识与基本应用是该课程教学的一大难点，为此，必须合理设计和安排教学内容。

根据目前矿井物探发展和实际应用现状，课程的教学内容和学时分配如下：

（1）矿井直流电法勘探，包括电剖面法、电测深法、电透视法、电法超前探测法，8学时；

（2）坑道无线电波透视，4学时；

（3）矿井地质雷达探测，2学时；

（4）矿井瞬变电磁法勘探，6学时；

（5）矿井地震勘探，主要包括槽波地震勘探、瑞利波勘探和地震波超前探测，8学时；

（6）实验性教学，2学时。

针对地质工程专业学生的特点，总结了煤矿主要解决的水文地质和构造地质9个方面的问题，并结合大量的实际勘探工程，让学生根据不同的地质任务，全面了解从勘探方法选择、勘探设计、数据采集、资料处理到地质解释的全过程。

2 教学方法研究

2.1 理论教学方法探讨

地球物理类勘探课程特点决定了在教学过程中必然涉及到抽象的数学物理方程，在讲课过程中，尽量避开理论公式的推导过程，重点放在数学模型的建立及对结果的物理解释上，使学生从不同勘探方法满足的数理方程理解勘探方法的数学本质。例如，在讲授均匀交变电磁场在导电介质中的传播一节时，从麦克斯韦方程和物性方程建立数学模型，略去推导过程，直接给出磁场强度和电场强度所满足的方程：

式中，为介质的电导率，为介质的磁导率，为介质的介电常数。对场的频率高、电导率低的介质同，（1）和（2）式右端的第一项可忽略，方程变为波动性方程，对应的勘探方法为地质雷达，反映地下电磁波阻抗差异界面；反之，在低频和良导介质情况下，右端的第二项可忽略，方程变为热传导性方程，电磁扰动的传播是按扩散规律传播的，对应的勘探方法为瞬变电磁法和大地电磁法，本质上是一种体积勘探方法。

2.2 树立综合物探的思想

各类物探手段所反映的物理特征决定了它的适用条件和范围。如：地震手段测量的参数为折射、反射、透射地震波的旅行时，表现的物理特征是地下岩石密度和弹性模量，它们决定地震波传播速度；电法测量地下岩石电阻、电压、电位等参数，表征的物理场是电导率等。因此，在授课过程中让学生树立综合物探的思想，在应用物探方法时，要深入研究勘查对象的地质物性条件，对症下药，分析是否满足适用条件，选用适合的方法，注意用多种有效的物探手段综合解释，才能有针对性解决矿井地质中的问题，取得预期的地质效果。例如在介绍某矿突水通道综合探测实例时，针对导致煤矿突水的小煤窑采空、充水、塌陷等特点，按照地质任务及精度要求，优化出了以高分辨电测深法、稳态瑞利波法为主，电剖面法和高密电阻率法为辅的快速综合物探技术，具有多参数、多方法、立体综合勘探的优势，对突水通道具有聚焦作用，快速、准确的解决了所提出的地质问题。

2.3 增加实验演示环节

“矿井地球物理勘探”所涉及的物探方法多，为了使学生全面了解应用于矿井的各种物探装备，保证教学效果，实现教学目标，在现有的学时中增加实验演示教学的学时，提高学生的直观认识和对地球物理勘探的兴趣。主要实验演示的物探方法有：SIR30E地质雷达，900Mhz天线，室内实测演示；RESECSⅡ三维高密度电法仪演示性介绍；SUMMITⅡ槽波地震仪演示性介绍；WKT E无线电波坑透仪演示性介绍；PROTEM47矿井瞬变电磁仪演示性介绍。

3课程考查方式探讨

通过课程学习，学习成果不仅体现在学生所知、所了解的内容，更重要的是能够体现学生能将学习成果应用于实际的能力，为此在考查方式上采用了两种类型，一是通过试卷类课堂考试的方式，考查学生对课程的重要知识点掌握的程度；二是应用类，为了使学生掌握根据不同的地质任务和采用的物探方法，设计了四种物探方法题目：（1）工作面无线电波坑透实测数据处理与解释；（2）地质雷达巷道超前探测实测数据处理与解释；（3）三极直流电法超前探测数据处理与解释；（4）工作面顶底板含水层富水性瞬变电磁探测数据处理与解释。提供给学生相关的工程背景材料和原始物探数据，要求按下述内容编写勘探报告：（1）地质、地球物理特征；（2）工作方法及质量评价；（3）数据处理方法及结果；（4）解释推断。通过应用类形式的考查，学生在实践应用能力方面可以得到很大提高。

4 结语

针对地质工程专业人才培养的需要，设计了丰富合理、联系有机的教学内容，采用传统的板书教学手段，综合运用现代多媒体技术、多种物探仪器实物演示以及丰富的案例分析等教学，让学生真正能够理解矿井地球物理的重要性和所能解决的矿井地质问题。通过两类考查方式的考核，即能使学生掌握所知、所了解的内容，又能提高学生能将学习成果应用于实际的能力。

[1]国家安全生产监督管理总局和国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定 [M]，煤炭工业出版社，2009

[2]熊章强，朱德兵，严家斌，等.提高地球物理学科野外实践教学效果的探索与实践[J]，中国地质教育，2012年第4期，132-134

[3]李勤."地球物理勘探"课程在地质工程专业教学的探索 [J]，大学教育，2014年第4期，111-112

[4]孙建国.浅论地球物理专业本科阶段的创新能力培养 [J].中国大学教育，2011年第10期，29-31

[5]谭茂金，邹长春，徐敬领.地质-地球物理复合专业测井教学优化设计与探索 [J]，中国地质教育，2013年第4期，78-82

[6]张平松,刘盛东.地球物理勘探课程设计性和综合性实验实施与思考 [J],中国地质教育，2005年第4期，97-99

P62[文献码]B

1000-405X（2016）-6-365-1

于师建（），男，教授，博士研究生，研究方向为安全工程、矿井物探方面的教学和科研。